李 闖，倪 金，宋慶春，馬宏偉，吳銘杰，王福剛

（1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，長春130021；2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽110034；3.遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司，遼寧大連116037）

0 引 言

大魏家水源地作為大型近海地下水水源地，在大連市供水歷史上曾發(fā)揮過重要作用。20 世紀60年代以來，該地區(qū)大規(guī)模地下水開采引發(fā)了嚴重的海水入侵問題，因此大魏家水源地于2001年停止開采[1]。自水源地開采引發(fā)海水入侵至今，已經(jīng)有50多年之久。

該區(qū)海水入侵問題引起了相關(guān)單位的高度重視，1991-1994年大連市水務(wù)局[2]通過普查資料和野外監(jiān)測等明確了大魏家地區(qū)海水入侵的范圍并初步分析了海水入侵的機理，后期遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院[3]對該區(qū)30余年海水入侵的變化和趨勢進行了全面分析和介紹。2006年遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院[4]結(jié)合地下水位動態(tài)、地下水Cl-含量特征，分析了該區(qū)海水入侵水平和垂直方向的狀況。此外許多學(xué)者也對大魏家地區(qū)海水入侵問題展開了深入研究。武強等[5,6]對大魏家地區(qū)的海水入侵特征、機理和對策展開研究，通過對大魏家20年的地下水位、氯離子動態(tài)資料分析，認為導(dǎo)致該地區(qū)海水入侵的主因是地下水位的持續(xù)下降，同時發(fā)現(xiàn)該區(qū)地下水系統(tǒng)含水介質(zhì)滲透能力的差異和與海水水力連通程度，控制著海水入侵的發(fā)生模式。宋慶春等[1]對大魏家地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、巖溶發(fā)育規(guī)律和地下水動力條件等方面進行分析，得出該區(qū)域海水入侵受地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育和地下水過度開采等多種作用影響的結(jié)論。韓冬梅和楊吉龍等[7,8]通過分析大魏家地區(qū)地下水動力條件、水化學(xué)和同位素特征，提出了該區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，對海水入侵過程中的水巖作用進行了定量分析，并判別了海水入侵的程度。趙長榮等[9]通過大量的水文地質(zhì)調(diào)查和水樣測試，分析了該區(qū)的水動力條件，并利用反向水文地球化學(xué)模擬揭示了研究區(qū)微咸水和咸水不是地下淡水與海水簡單混合而成，其中伴隨著方解石、蒙脫石和石膏的溶解作用、伊利石的沉淀作用以及Ca-Na離子交換作用。

綜上所述，關(guān)于大連典型海水入侵影響區(qū)大魏家地區(qū)海水入侵進行了較多研究，對海水入侵的范圍、程度和機理進行了不同角度的探究。但由于地下水水質(zhì)受多種因素影響，具有時變性特征，并且近年實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在大魏家水源地停采后，研究區(qū)內(nèi)仍有部分村屯將當?shù)氐叵滤鳛樯铒嬘盟础Ａ硗?，地下水是研究區(qū)目前主要經(jīng)濟作物—大櫻桃的唯一灌溉水來源。因此，查清當前地下水在開采-自然雙重因素影響下的海水入侵變化情勢，明確當前地下水質(zhì)量空間分布特征和水質(zhì)變化主要控制因素，提出針對性的對策建議，對于研究區(qū)地下水合理開發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概述

研究區(qū)大魏家地區(qū)位于大連市金州區(qū)西北部，距金州10 km，瀕臨渤海，總面積約為150 km2，多年的平均降水量約為662 mm。目前，全區(qū)將地下水作為農(nóng)業(yè)灌溉用水水源，距離5 km以外的內(nèi)陸區(qū)域同時將地下水作為生活供水水源。

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有太古界變質(zhì)雜巖、元古界震旦系沉積巖地層、古生界寒武系、奧陶系和石炭系沉積巖地層和第四系松散沉積物組成的地層（圖1）。太古界地層分布于研究區(qū)東部，巖性主要為片麻巖，裂隙發(fā)育差，富水性差；震旦系地層分布于研究區(qū)中東部，主要為頁巖、石英砂巖、灰?guī)r，因巖性差異導(dǎo)致其富水性差異較大；寒武系、奧陶系、石炭系地層廣泛分布于研究區(qū)中部及沿海一帶，主要為灰?guī)r、白云巖、砂巖等，是地下水主要富水層位；第四系地層呈條帶狀、舌狀分布于大魏家一帶和和北部近海區(qū)域，厚度30～60 m，巖性為砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土、砂礫石等[10]。

由于研究區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布、斷裂和裂隙交錯縱橫，使得區(qū)內(nèi)巖溶十分發(fā)育。根據(jù)地層的空間展布（圖2 和圖3）可知，當內(nèi)地地下水降落漏斗擴展到海岸帶時，海水會通過第四系發(fā)生面狀入侵，或者沿斷裂、裂隙、巖溶管道通過碳酸鹽巖地層向內(nèi)陸入侵[6]。

2 研究區(qū)海水入侵歷史演化過程分析

前期研究已經(jīng)證實了當?shù)睾Ｋ肭脂F(xiàn)象是由于地下水的大規(guī)模開采引起的，因此對海水入侵動態(tài)過程的分析需結(jié)合地下水的開采情況進行。1968-2001年，由于大魏家水源地的存在，研究區(qū)地下水開采主要為大連市供水，2001年至今其地下水開采主要為滿足當?shù)厣a(chǎn)生活需要。在這50 余年中，研究區(qū)地下水開采特征可分為無限制開采期、季節(jié)性開采期、因干旱加大開采期和控制開采期共4 種類型[1]。為查清當?shù)氐叵滤煌_采量對海水入侵的影響，現(xiàn)將大魏家鎮(zhèn)附近區(qū)域1991-2012年海水入侵面積、距離和1966-2010年地下水Cl-含量歷史數(shù)據(jù)[1,7-9]進行整理，同時結(jié)合2018年和2019年兩期研究區(qū)海水入侵調(diào)查數(shù)據(jù)（監(jiān)測點位置見圖4）繪制海水入侵范圍和地下水Cl-含量歷史趨勢圖（圖5）。

如圖5 所示，1968-1983年，由于地下水無限制開采，研究區(qū)地下水Cl-含量明顯增大，最大可達1 158 mg/L；1983-1991年，地下水開采方式改為季節(jié)性開采，研究區(qū)地下水中Cl-含量迅速減小。從Cl-含量的變化可以推斷1968-1991年研究區(qū)海水入侵面積和距離整體處于先增大后減小的趨勢。1991-1994年因干旱加大地下水開采量，研究區(qū)海水入侵面積、距離和地下水中Cl-含量均增大；1994-1998年因研究區(qū)開始控制地下水開采，所以緩解了其海水入侵程度；1998-2004年再一次因干旱加大地下水量，之前已得到控制并出現(xiàn)下降的海水入侵面積和地下水Cl-含量都出現(xiàn)了大幅增長，最大入侵面積可達54 km2，最大入侵距離約4 km；2004年之后，隨著地下水開采量的下降，海水入侵趨勢再一次得到控制。所以研究區(qū)海水入侵面積、距離和地下水Cl-含量變化與地下水不同時期的開采行為相關(guān)性顯著，在地下水開采量增大的階段，研究區(qū)海水入侵程度加重。

為明確研究區(qū)海水入侵當前狀態(tài)，2018年和2019年連續(xù)對研究區(qū)地下水進行了樣品采集與測試（2018年采集地下水樣品17 組，2019年采集樣品35 組）。根據(jù)水樣測試數(shù)據(jù)中Cl-含量，以Cl-含量大于300 mg/L 劃分海水入侵區(qū)，繪制當前研究區(qū)海水入侵狀態(tài)圖（圖6）。由圖6可知，研究區(qū)目前海水入侵趨勢被有效控制，僅近海區(qū)域存在入侵現(xiàn)象，最大入侵距離約3 km。

3 研究區(qū)地下水供水適宜性及水質(zhì)演化主控要素分析

3.1 研究區(qū)地下水質(zhì)量現(xiàn)狀及供水適宜性分析

研究區(qū)大魏家集中供水水源地自2001年停止開采，不再作為大連市供水水源地[1]。據(jù)野外實際調(diào)查，目前區(qū)內(nèi)地下水開采主要用于農(nóng)田果園灌溉和部分村屯生活飲用等。為查明當前地下水質(zhì)量的空間分布特征，基于最近一次（2019年）研究區(qū)地下水樣品（采樣點分布見圖6）測試結(jié)果，針對性地進行研究區(qū)地下水用于生活飲用與農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性分析。

將研究區(qū)地下水樣品測試結(jié)果與地下水質(zhì)量標準（GB/T 14848-2017）中Ⅲ類水各離子限值比較，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近海區(qū)域地下水中Cl-含量、Na+含量和TDS均較高；內(nèi)陸絕大部分區(qū)域地下水中NO3-含量超標。所以目前研究區(qū)地下水整體化學(xué)組分含量偏高，水質(zhì)狀況較差。

由于將測試結(jié)果直接與標準限值比較可能存在水質(zhì)類別劃定邊界模糊和單種離子對整體水質(zhì)影響程度不同的問題，為此本文將在內(nèi)梅羅指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評價法、集對分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等[11-15]眾多地下水質(zhì)量評價方法中選擇模糊綜合評價法對研究區(qū)地下水質(zhì)進行評價來消除上述問題帶來的影響。基于水質(zhì)測試結(jié)果分析，同時考慮研究區(qū)受海水入侵、人類活動影響，選定Cl-、TDS、SO42-、NO3-、總硬度5個代表性指標作為評價因子。由于地下水質(zhì)量標準（GB/T 14848-2017）中將Ⅲ類水限值（Cl-＜250 mg/L、TDS＜1 000 mg/L、SO42-＜250 mg/L、NO3-＜88 mg/L、總硬度＜450 mg/L）視為直接生活飲用的最低標準，所以以此為基準并按下列公式對5個評價因子賦予權(quán)重值[16,17]：

式中：Sj為Ⅲ類水中第j個評價因子的限定值；Cij為第i個水樣的第j個評價因子的實測值；Wij為第i個水樣的第j個評價因子的權(quán)重值。

該權(quán)重賦值方法可以將相同評價因子在不同成分水樣中賦予不同的權(quán)重值，具有較強的客觀性。如將點S01 水樣中Cl-（396 mg/L）、TDS（953 mg/L）、SO42-（113 mg/L）、NO3-（14.2 mg/L）和總硬度（190 mg/L）與其對應(yīng)限值作比得到Qj為1.584、0.953、0.452、0.161、0.422，根據(jù)式(2)計算權(quán)重值W11=0.443、W12=0.267、W13=0.127、W14=0.045、W15=0.118，即在點S01 水樣中Cl-、TDS、SO42-、NO3-、總硬度的權(quán)重值分別為0.443、0.267、0.127、0.045、0.118。同理可計算其他34 組水樣中不同評價因子的權(quán)重值。

根據(jù)模糊綜合評價的結(jié)果，繪制研究區(qū)地下水生活飲用供水適宜性分區(qū)圖（圖7）。如圖7所示，研究區(qū)絕大部分區(qū)域為地下水較不適宜飲用和不適宜飲用區(qū)。

研究區(qū)地下水是當?shù)刂饕?jīng)濟作物大櫻桃的主要灌溉用水?？紤]到用受海水入侵影響的地下水進行農(nóng)業(yè)灌溉，會導(dǎo)致土壤鹽分累計而使果樹減產(chǎn)甚至死亡?；?019年采集水樣測試結(jié)果，進行研究區(qū)地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性評價。在評價過程中，考慮作物對土壤累積鹽分的耐受程度和水質(zhì)對土壤滲透性的影響[18]，分別采用灌溉系數(shù)法和鈉吸附比值法進行評價。評價結(jié)果（圖8）顯示，研究區(qū)近海區(qū)域（最遠可達內(nèi)陸4 km 處）地下水水質(zhì)較差，多不太適用于農(nóng)業(yè)灌溉；其他區(qū)域地下水均可用于農(nóng)業(yè)灌溉。

3.2 研究區(qū)地下水質(zhì)量演化主控要素分析

地下水質(zhì)量演化主要受自然因素（氣象、水文、含水層特征、水動力特征）和人為因素（污染、農(nóng)業(yè)施肥、農(nóng)藥、開采地下水）的影響。根據(jù)研究區(qū)地下水用于生活飲用和農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性評價結(jié)果可知，研究區(qū)近海區(qū)域，地下水不適于生活飲用，用于農(nóng)業(yè)灌溉存在引發(fā)土壤鹽漬化的風(fēng)險。該區(qū)域與研究區(qū)海水入侵區(qū)基本重合，說明該區(qū)域地下水質(zhì)量較差的主要原因是受海水入侵影響。此外，通過生活飲用水供水適宜性評價結(jié)果可知，研究區(qū)遠離海岸的內(nèi)陸區(qū)域地下水雖然不受海水入侵影響，但仍不適于生活飲用。下面將對這種現(xiàn)象的原因及主控要素進行分析。

3.2.1 水質(zhì)演化的自然要素分析

研究區(qū)整體地形東高西低，呈向西北傾斜的趨勢。在圖9中，AB 線和CD 線區(qū)域整體背斜成山，地勢較高。結(jié)合圖1和圖2 可知，AB 線一帶是一套傾角較陡的寒武系背斜構(gòu)造的灰?guī)r地層和震旦系阻水、弱透水的頁巖、泥巖、砂巖地層；CD線一帶是一套寒武系阻水頁巖和透水灰?guī)r地層，地層主體巖性雖然為灰?guī)r，但從地質(zhì)構(gòu)造上看，該帶狀分布區(qū)域為一套東南-西北走向的背斜形成的正地形，山體面積較大，在降水補給為主要補給源的成因條件下，地形控水和地質(zhì)構(gòu)造控水共同控制地下水的流動。所以AB 線和CD 線均可視為地下水流動系統(tǒng)的邊界。研究區(qū)東部為地形較高的太古界變質(zhì)巖弱含水地層，可構(gòu)成地下水流動系統(tǒng)的東部邊界?；谏鲜龇治?，研究區(qū)地下水流動系統(tǒng)可劃分為北部、中部、南部3個流動子系統(tǒng)（見圖9）。

根據(jù)2019年野外地下水位測量數(shù)據(jù)，繪制研究區(qū)地下水位等值線（圖9）。由3個流動子系統(tǒng)的地下水位分布，結(jié)合研究區(qū)碳酸鹽的地層分布和構(gòu)造裂隙發(fā)育特征，可得出研究區(qū)地下水的整體情勢呈現(xiàn)由內(nèi)陸向海的淡水排驅(qū)咸水的趨勢。入侵影響區(qū)的地下水處于逐漸淡化的狀態(tài)。楊吉龍等[8]發(fā)現(xiàn)在某些部位，含水層中形成的混合咸水并沒有被明顯排出含水層，這是由于裂隙巖溶空隙介質(zhì)的非均質(zhì)性影響，入侵的咸水被滯留于半封閉的非均質(zhì)空隙空間中形成的結(jié)果。

在處于斷裂帶附近的東田村（圖9 中S11）、小朱家（圖9中S28）和老母架村（圖9 中S29）實地地下水調(diào)查中獲悉，當這些部位大量開采地下水時，相應(yīng)部位地下水迅速變咸，結(jié)合這些部位的斷裂分布和與海岸的距離分析，這些部位的深部地下巖溶層中存在著與海水溝通良好的優(yōu)勢通道，當內(nèi)陸局部區(qū)域大量開采地下水時，地下水位的快速下降導(dǎo)致海水通過斷裂、裂隙及巖溶管道等優(yōu)勢通道向內(nèi)陸快速入侵。

另外，利用Piper 三線圖分析地下水化學(xué)組成特點，采用舒卡列夫分類法對地下水化學(xué)類型進行劃分。由Piper 圖（圖10）可以看出，海水水化學(xué)類型與地下水明顯不同，表現(xiàn)為Cl-Na 型。地下水水化學(xué)類型表現(xiàn)出多樣性，大部分為Cl-Ca或Ca/Mg 型，Cl-為主要陰離子，指示著其可能受到海水混合的影響。

將研究區(qū)地下水中Na+、Ca2+與Cl-進行當量比值計算結(jié)果如圖11 所示，部分淡水的Na+/Cl-當量比值接近于1 或理論海水混合線，微咸水中Na+/Cl-當量比值小于1，其中S01、S13、S14、S16、S18、S19、S32、S34 點位明顯偏離理論海水混合線[圖11(a)]，表明地下水中可能發(fā)生陽離子交換作用[9]。海水入侵陸相沉積物時，Na+和Ca2+之間常發(fā)生交換作用，地下水中Na+被巖土中礦物所吸附，置換Ca2+進入含水層，導(dǎo)致含鹽量增加的樣品中Ca2+含量也增加[圖11(b)]。以上分析說明海水入侵是造成研究區(qū)大部分地下水質(zhì)較差的要素之一。

3.2.2 人為要素分析

圖7 中內(nèi)陸較不適宜和不適宜飲用區(qū)的地下水樣品中，NO3-作為生活飲用水適宜性評價的重要參評因子，其對水質(zhì)的適宜性結(jié)果影響程度顯著。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)條件和人類活動分析，地下水中的NO3-是由于農(nóng)業(yè)活動（施肥）造成的。研究區(qū)遍布農(nóng)田、果園，農(nóng)業(yè)氮肥的大量施用，使得土壤中的氮素在灌溉和降水淋濾作用下，向下遷移進入下部含水層，造成地下水硝酸鹽含量偏高。

另外，開采鹽度較大的地下水灌溉內(nèi)陸農(nóng)田、果園，也會對內(nèi)陸區(qū)域地下水水質(zhì)造成一定影響。如位于老母架村（圖7中S29）山坡上櫻桃園，長期從近海區(qū)域采用罐車運輸鹽度較大(普遍大于1.7 g/l）的地下水進行灌溉，導(dǎo)致大櫻桃樹枯萎。因此，在內(nèi)陸水質(zhì)較差的區(qū)域，地下水水質(zhì)演化的主控要素包括農(nóng)業(yè)施肥活動和灌溉水鹽度較大兩個方面。

綜上所述，目前研究區(qū)地下水質(zhì)量總體處于淡水排驅(qū)咸水的過程，但在局部地段，地下水的大量開采用于農(nóng)田灌溉，使得地下水位降幅較大，在存在優(yōu)勢通道的情況下，仍可能造成局部的海水入侵影響。遠離海岸的內(nèi)陸區(qū)域地下水水質(zhì)主要受農(nóng)業(yè)施肥和鹽度較大的地下水灌溉影響。研究區(qū)地下水整體已不適宜用于生活飲用，但大部分地區(qū)用于農(nóng)業(yè)灌溉還是有安全保障的。

4 地下水利用對策

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)近海區(qū)域村屯因地下水受海水入侵影響，已不再用于生活飲用，而在內(nèi)陸的非海水入侵影響區(qū)，大部分村屯仍使用地下水作為生活飲用水。鑒于內(nèi)陸地下水較不適宜和不適宜飲用區(qū)的地下水中NO3-含量超標，人體長期飲用具有較高的致癌風(fēng)險，建議這些區(qū)域停止使用地下水作為生活飲用水源，同時要從源頭控制污染，控制農(nóng)藥化肥用量，并且避免用鹽度較大的地下水進行果園和農(nóng)田灌溉。目前研究區(qū)地下含水層整體處于淡水驅(qū)替咸水的狀態(tài)，有利于近海不適宜飲用區(qū)地下咸水轉(zhuǎn)化為淡水，所以建議研究區(qū)保持或減小目前地下水開采量，防止海水再次入侵。

在農(nóng)田灌溉方面，研究區(qū)目前基本將地下水作為農(nóng)業(yè)灌溉唯一水源，考慮到研究區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，其中大櫻桃更是主要經(jīng)濟作物，建議停止開采農(nóng)業(yè)灌溉用水不太適宜的近海區(qū)域的地下水，以免造成灌溉區(qū)土壤鹽漬化，影響作物產(chǎn)量。此外，在水質(zhì)較差區(qū)域和存在地下優(yōu)勢流的局部地帶，應(yīng)監(jiān)測地下水質(zhì)的動態(tài)變化，根據(jù)水質(zhì)變化，合理調(diào)整地下水開采量。

5 結(jié) 論

（1）分析了大魏家地區(qū)20世紀60年代以來50余年海水入侵歷史動態(tài)變化過程，明確了當前地下水整體處于淡水驅(qū)排咸水的情勢。結(jié)合近年地下水樣品測試結(jié)果，分析并確定了當前海水入侵影響范圍為海岸線3～4 km的近海區(qū)域。

（2）基于最近的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，從供水適宜性角度評價了地下水作為生活飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉水的適宜性。結(jié)果顯示，研究區(qū)近海區(qū)域地下水既不適用于生活飲用也不適用于農(nóng)業(yè)灌溉；研究區(qū)內(nèi)陸地下水適用于農(nóng)業(yè)灌溉，但大部分不適用于生活飲用。

（3）結(jié)合地質(zhì)條件、地下水流動系統(tǒng)特征、農(nóng)業(yè)活動和地下水開采行為，分析了研究區(qū)不同區(qū)域地下水質(zhì)量的控制因素。近海區(qū)域地下水主要受海水入侵咸化的影響；內(nèi)陸區(qū)域，水質(zhì)較差的地帶主要受農(nóng)業(yè)施肥和灌溉活動影響。

（4）結(jié)合當前研究區(qū)地下水利用現(xiàn)狀，提出了不同區(qū)域地下水利用對策。對于近海的海水入侵影響區(qū)，要嚴格控制地下水開采活動；遠離海岸的內(nèi)陸非海水入侵區(qū)，要嚴格控制農(nóng)業(yè)施肥和劣質(zhì)地下水的灌溉對地下水的影響。建議停止將內(nèi)陸飲用水不適宜區(qū)的地下水作為生活飲用水源，并監(jiān)測地下水質(zhì)的動態(tài)變化，為當?shù)鼐用竦娜梭w健康提供保障。

致謝：本文基礎(chǔ)地質(zhì)資料主要由中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心和遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司提供，在此表示感謝！